انتقال حرارت گذار

مقدمه
انتقال حرارت گذرا از گاز به ديواره هاي محفظة احتراق و ديوارهاي دريچه تأثير قابل ملاحظه اي روي تعويض گاز و عملكرد موتور IC مي گذارد . به علاوه ، درستي اطلاعات انتقال حرارت در اين قسمتها ، براي اعمال شرايط مرزي به منظور آناليز ساختاري امري ضروري است.

در تئوري ، بازده حجمي كه در طول شبيه سازي فرايند تعويض گاز محاسبه مي شود براساس برنامه هاي يك بعدي اغلب كار مشكلي مي باشد . شكل ۱ مثالي از وابستگي بازدة حجمي به شرايط انتقال حرارت در طول مرحلة تعويض گاز مي باشد . شكل نشان دهندة تأثير انتقال حرارت در دريچه ورودي هم و تأثير انتقال حرارت در محفظه احتراق در طول مرحله ورود گاز مي باشد . بر اساس معادلات انتقال حرارت با توجه به روابط Woschni و Zapf ، انتقال حرارت با ضرايب ۷/۰ تا ۸/۱ در محفظه احتراق و دريچه ورودي كاهش يا افزايش پيدا كرده است . محاسبات بر روي يك موتور تك سيلندر آزمايشي ( DI ديزل ، قطر mm 124 ، طول كورس mm 165 ) در دور موتورrpm 1080 و بار %۵۰ انجام شده است .
شكل ۱

اگر چه تأثير انتقال حرارت در دريچه ورودي براي اين نوع موتور در شرايط اشاره شده در بالا ، پايين است ، بازده حجمي به مقدار زيادي به انتقال حرارت در محفظه احتراق وابسته است . ( بيشتر %۳ در افزايش ۸۰ درصدي انتقال حرارت ) اين مسأله در مورد تشكيل NOX نيز صادق است . ( افزايش %۱۱ ) به سبب سطح دماي تغيير يافته در محفظه احتراق . محاسبة NOX خروجي به طور قابل ملاحظه اي تحت تأثير انتقال حرارت آني در طول مرحله فشار زياد مي باشد . شكل ۲ تأثير اين امر را با مقايسه مقاديرNOX در زاوية ميل لنگ هاي مختلف و با دو پيشروي متفاوت انتقال حرارت ، در دور ۱۴۷۰ rpm و بار كامل را نشان مي دهد . از يك سمت محاسبات انتقال حرارت از معادلات Woshchni انجام شده و در سمت ديگر

محاسبات براساس شبيه سازي CFD سه بعدي انجام شده است . محاسبة نرخ تشكيل NOX بر طبق مكانيزم توسعه يافتة Zeldovich در دو منطقه دمايي ( سوخته و غير سوخته ) ، برنامة شبيه سازي عملكرد موتور در دو منطقه دمايي انجام مي شود . بنابراين نرخ آزاد سازي حرارت ثابت نگه داشته شده . مقايسه مقادير پيوستة NOX نشان دهندة كاهش % ۱۴ درصدي براساس نتايج CFD مي باشد . بنابراين تطابق بيشتري با نتايج اندازه گيري داشته .

شكل ۲ ( a و b )
اصول پايه در روش دماي سطح :
حوزة دما در ديوارة محفظه احتراق مي تواند توسط معادلات ديفرانسيلي فوريه در مورد هدايت حرارت بيان شود . با فرض يك جريان حرارت يك بعدي در ديواره هاي محفظه احتراق ، فقط گراديان دمايي در جهت x ، عمود بر سطح ديواره وجود دارد . معادله كلي به صورت معادله زير در مي آيد كه t زمان و ‏Tw دماي ديواره است :
۱)
در اين رابطه ضريب نفوذ حرارتي ديواره مي باشد . كه از سه پارامتر تشكيل شده است .
ضريب هدايت حرارتي =
ظرفيت حرارتي = C چگالي =

انتقال حرارت گذرا از گراديان دما و ضريب هدايت حرارتي مشخص مي شود .
۲)
معادلة بالا مي توانند براي عملكرد سيكل با بسط دادن آن به صورت سري حل شوند . با فرض اينكه ديواره به صورت يك صفحه نامحدود است . حل مناسب به صورت زير مي باشد :
۳ )
و
۴)
به علاوه ، انتقال حرارت يك فاكتور قطعي براي تنش هاي حرارتي در قسمتهاي نزديك محفظه احتراق تشكيل مي دهد . نقش مهم در اينجا توسط ميانگين زماني و تحليل فضايي چگالي شارحرارتي بازي مي شود . در (۲) نشان داده شده كه افزايش %۱۰ درصدي شار حرارتي ديواره سمت گاز باعث افزايش ›۸۰ دما در valve bridge بين سرپاپ ورود و خروج گاز مي شود . چنين تغييرات درجه حرارتي باعث كاهش قابل ملاحظة مقاومت اجزاء در مقابل تنش هاي زياد مي شود . بنابراين لازم است كه شرايط مرزي حرارتي را براي بهينه سازي اجزاء ، مشخص كنيم .

اندازه گيري شار حرارتي : ( توسط سنسورها )
استانداردها براي سنسورهاي اندازه گيري شار حرارتي در سمت گاز در موتورهاي احتراق داخلي خيلي بالا هستند . اين امر مخصوصا براي اندازه گيري در محفظه احتراق درست است ، علاوه بر اينكه سنسورها بايد در زمان كوتاهي شرايط را تحليل كنند ، و دقت بالايي داشته باشند مي بايست در مقابل دما و شار حرارتي خيلي كم آسيب پذير باشند و مي بايست در كوچكترين اندازة ممكن باشند و مقاومت كافي داشته باشند . در اصل دو روش اندازه گيري مختلف براي اندازه گيري شار حرارتي لحظه اي درموتورهاي IC وجود دارد .
۱- سنسور براساس روش دماي سطح قرار داده مي شوند .

۲- سنسورها براساس اندازه گيري دما در لايه مقاومت حرارتي قرار گرفته اند .

جدول ۱ خلاصه ارزيابي انواع مختلف سنسورها :

+good
o …limitations
…… poor
TRL S T M
HFM LCRTS RTS B A
o o o + +
+ + + o o
+ + + o _
+ + + o O خروجي
_ + o + + ابعاد خارجي
_ + o + o مقاومت دربار كامل

جدول ۲ : كاربرد روش مختلف اندازه گيري :
‏TRL STM
o + فشار زياد – محفظه احتراق
o o فشار پائين – محفظه احتراق
+ _ ورودي گاز
+ + خروجي گاز

انتقال حرارت داخل سيلندر در مرحله تراكم و احتراق :
معادلات انتقال حرارت كه به كار برده مي شوند بر مبناي اصول نيوتوني مي باشند ، بر اين اساس چگالي شار حرارتي ديواره از ضريب انتقال حرارت و اختلاف دماي مؤثر بين گاز و ديواره سرچشمه مي گيرد . اين معادلات كه ضرايب انتقال حرارت را بيان مي كنند مي توانند به دو گروه بي بعد و بعد دار تقسيم شوند .

روشهاي بهتري براي بيان ضرايب انتقال حرارت با در نظر گرفتن آنالوژي رينولدز پيشنهاد شده اند . اين روابط شامل تركيب تمام پارامترهاي كه هركدام اثر طبيعي چيزي را بر روي اعداد بي بعد مشخص مي كنند ، تشكيل شده است . اين چنين معادلاتي روابط بالا دماي گذرا و جريان حرارت گذرا را در هر مكن از ديواره محفظه احتراق مشخص مي كنند . قسمت متغير دما و شار حرارتي سريعاً به صورت اكسپونانشيلي با ميزان عمق ديواره (X) كاهش پيدا مي كنند .

ثابتهاي Ai و Bi و C2 ؟؟؟ مي توانند شرايط مرزي مشخص شوند . براي x = o ، معادلة ۳ منحني دما را در سطح ديوارة محفظه احتراق مي دهد . در نتيجه ضرايب Ai و Bi با داشتن شرايط مرزي از روي اندازه گيري از طريق سنسور مشخص مي شوند .

ثابت C ، در نهايت ، مطابق با قسمت ثابت جريان حرارت از ميان ديواره محفظه احتراق مي باشد . و مي تواند از طريق تكنيك هاي اندازه گيري مشخص شود ، مثلاً از طريق سنسور جريان حرارتي ، يا با اندازه گيري دما در محلي كه فاصلة آن از سطح محفظه احتراق معلوم مي باشد . اما جريان حرارتي غير گذرا ، از طريق دماي گاز كه توسط تحليل منحني فشار قبلاً محاسبه شده بود ، مشخص مي شود ، با اين فرض كه جريان حرارتي در جايي كه دماي ديواره و گاز يكسان است نداريم .
دو نوع سنسور براي اندازه گيري دما استفاده مي شوند :

۱ = سنسورهاي اندازه گيرنده دما سطح
۲ = سنسورهاي فيلم مقاومت حرارتي نازك .
شكل ۹ نتايج آزمايشات از طريق سنسورها را نشان مي دهد . به سبب نشان دادن تأثيرات ديناميكي ، اندازه گيري در دور rpm100 تا rpm1000 انجام شده است . كه مطابق با دور ۴۰۰ تا ۴۰۰۰ در موتورهاي ۴ زمانه است . سنسورها نتايج بسيار خوبي را در تطابق با مقادير مطلق نشان مي دهند .
مقايسه روابط انتقال حرارتي :

مطالب زير آزمايشات انتقال حرارت بر روي دو موتور مختلف را ( موتور SI و DI ديزل ) بيان مي كند . تست ها شامل اندازه گيري شار حرارتي ديواره در چند موقعيت اندازه گيري بر روي سر سيلندر مي باشد ، كه از روش دماي سطح استفاده شده :
موتور آزمايشي : تست ها بر روي موتورهاي زير انجام شده است :
• موتور بنزيني ۴ سوپاپه ( موتور – Ford Zetec 8/1 )
• موتور ديزل تزريق مستقيم ، خنك شونده با هوا ( MWM )
جدول زير اطلاعات تكنيكي دو موتور را ليست كرده است .

جدول ۳ ) مشخصات تكنيكي موتورهاي مورد آزمايش :
جدول
موقعيت سنسور فشار و موقعيت هاي اندازه گيرنده ها در موتور SI در شكل ۱۰ و آنهايي كه مربوط به موتور ديزل هستند در شكل ۱۱ نشان داده شده است . از سنسورهاي فيلم مقاومت دمايي براي مشخص كردن شار حرارتي در ديواره استفاده كرده اند .

بر مبناي روش ارائه شده توسط NuBelt مي باشد . براي مثال Huber/ woschni ، Hohenberg ، Bargende ، در اين معادلات سرعت متوسط پيستون به عنوان سرعت مؤثر براي مشخص كردن Rc استفاده شده . رابطه زير مربوط به Woskhri/huber ؟؟؟ مي باشد .
( فرمول )

مدل هاي محاسبه انتقال حرارت در سمت گاز در موتور IC بر اساس اصول فيزيكي ، به عنوان چاره اي براي روشهاي نيوتوني پيشنهاد شده بود . مانند مدلهايي كه توسط pfriem و elser در ارائه شده و بر اساس محاسبات سيكل موتور واقعي مي باشد . در سال ۱۹۹۳ Kleinschmidt روشني را ارائه داد كه بر مبناي حل معادلات ديفرانسيل جزعي بود . و بيان كنندة فرايندهاي فيزيكي بود .

حل زماني انتقال حرارت : شكل ۱۲ چگالي شار حرارتي ديوار را كه از طريق اندازه گيري بدست آمده با نتايج ديگر كه از محاسبات سيكل موتور بدست آمده مقايسه مي كند.
شكل ۱۳ نتايج را براي موتور ديزل نشان مي دهد . در اينجا منحني اطلاعات آزمايشي مربوط به چگالي شار حرارتي ديواره است كه از اندازه گيري در موقعيت هاي خاص بدست آمده است . روابط انتقال حرارت ارائه شده توسط Woschni/Huber و Hohenberg و Bargende و Kleinschmidt در اينجا براي مقايسه به كار برده شده است . شكل (۱۲)

اين امر واضح است كه اندازه گيري ها در هنگام عملكرد موتور انتقال حرارت نامتقارن را در نقطه مرگ بالا براي هر دو نوع موتور نشان مي دهد . اين نتايج مي تواند با استفاده از رابطة انتقال حرارت ارائه شده توسط kleinschmidt نيز بدست آيد . رابطة Bargende نيز منحني نامتقارن در درجات پائين تر ايجاد مي كند . به سبب اصولي كه روابط woschni و Hohenberg بر مبناي آنها است . اين روابط منحني هاي متقارني ايجاد مي كنند . ميدان نوسانات فشارهاي حرارتي به طور قابل ملاحظه اي تغيير مي كند .

عمليات انفجار در محفظه احتراق نتايج مختلفي را ايجاد مي كند كه وابسته به سرعت ، بار و نوع موتور مي باشد و رسم منحني نتايج را غير ممكن مي سازد .
فقط مي توان به اين نكته اشاره كرد كه به نظر مي رسد رابطة Kleinschmidt نرخ پائين تري از احتراق راتوليد مي كند وقتي كه در مورد موتور ديزل استفاده مي شود .
ميانگين زماني انتقال حرارت و حرارت كل آزاد شده :

ميانگين زماني انتقال حرارت : ميانگين زماني انتقال حرارت به ديواره محفظة احتراق به عنوان مقدار ورودي براي محاسبات ( FEM ) مقاومت اجزاء امري مهم است . تفاوت در ميانگين انتقال حرارت از روابط انتقال حرارتي مختلف نتيجه مي شود براي موتور SI در شكل ۱۴ نشان داده شده است . و براي موتور ديزل در شكل ۱۵ نشان داده شده است . اشكال خاص نشان دهنده مقادير مبني براي روابط Bargende , Hohenberg و Kleinschmidt هستند كه به صورت درصد نسبت به محاسبات بر مبناي روابط woschin مي باشند . اين امر باعث مي شود كه تفاوت حقيقي بين روابط انتقال حرارت را بدون اينكه نتايج تحت تأثير اندازه گيري مجهولات باشد ، نشان داد . شكل ۱۴-۱۵-۱۶٫